ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ....................................................................................................................................................10
1.1 Общие сведения о температурных воздействиях на конструкции
1.3 Обзор современных методов расчета конструкций ограждения
котлованов с учетом температурных
воздействий......................................................................17
1.4 Обзор экспериментальных исследований температурных
воздействий на конструкции ограждения
котлованов..............................................................18
Выводы по главе 1, цели и задачи
исследований..................................................................23
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РАСПОРОК
НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРУЕМОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ «МАССИВ ГРУНТА -КОНСТРУКЦИИ
ОГРАЖДЕНИЯ
КОТЛОВАНА»....................................................................25
2.1 Цель и задачи экспериментальных
исследований......................................................25
2.2 Обоснование параметров модели ограждения
котлована....................................26
2.3 Условия проведения экспериментальных
исследований....................................30
2.4 Методика планирования и проведения экспериментальных
исследований..................................................................................................................................................................33
2.5 Метрологическое обеспечение
эксперимента................................................................37
2.6 Результаты экспериментальных
исследований............................................................42
2.7 Статистическая обработка результатов экспериментальных
исследований..................................................................................................................................................................52
Выводы по главе
2..........................................................................................................................................64
ГЛАВА 3. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ НА УСИЛИЯ В РАСПОРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ОГРАЖДЕНИЯ
КОТЛОВАНА......................................................................................................................65
3.1 Задачи натурных
исследований..................................................................................................65
3.2 Описание объекта и методики натурных
исследований......................................65
3.3 Основные результаты натурных
исследований............................................................75
Вывод по главе
3................................................................................................................................................79
ГЛАВА 4. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РАСПОРОК НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРУЕМОЕ
СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ
«МАССИВ ГРУНТА - КОНСТРУКЦИИ ОГРАЖДЕНИЯ КОТЛОВАНА»..........80
4.1 Задачи расчетно-теоретических
исследований............................................................80
4.2 Методика и состав расчетно-теоретических
исследований..............................80
4.3 Влияние геологических и гидрогеологических
условий....................................86
4.4 Влияние параметров ограждающих конструкций
котлована........................96
4.5 Обобщение результатов численных
исследований................................................102
Выводы по главе
4..........................................................................................................................................104
ГЛАВА 5. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСИЛИЙ В РАСПОРНОЙ
СИСТЕМЕ КОНСТРУКЦИИ ОГРАЖДЕНИЯ КОТЛОВАНА ПРИ ПОВЫШЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ
РАСПОРОК..............................................................................105
5.2 Учет параметров, влияющих на коэффициент податливости
ограждающих стен при определении дополнительных усилий в распорной
системе..................................................................................................................................................................................107
5.3 Методика определения усилий в распорной системе конструкции
ограждения котлована при изменении температуры
распорок........................................115
Вывод по главе
5................................................................................................................................................118
Список используемой
литературы..................................................................................................121
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акт
внедрения....................................................................................................129
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования
Актуальность работы обусловлена необходимостью учета изменения
напряженно-деформируемого состояния (НДС) конструкций ограждения
котлованов за счет перепада температур наружного воздуха, в том числе
при оценке влияния на осадки близлежащих зданий и инженерных
коммуникаций.
Степень разработанности темы
Несмотря на то, что вопрос НДС конструкций ограждения котлованов изучен
широко, учет температурных воздействий требует дополнительных
исследований. Методики, применяемые при определении температурных
напряжений в конструкциях котлованов, не учитывают деформации
(податливость) массива грунта за стеной ограждения.
Цель и основные задачи диссертационной работы
Целью исследований является разработка методики учета грунтовых условий
и других факторов в расчете распорной системы и конструкций ограждения
котлованов от сезонного изменения температуры распорок, позволяющего
уменьшить или исключить негативное влияние температурного фактора и
оптимизировать материалоемкость при проектировании.
Для достижения указанной цели в основные задачи диссертационной работы
ставились:
- анализ существующего состояния вопроса исследования;
- планирование и проведение расчетно-теоретических и экспериментальных
исследований для изучения влияния деформаций массива грунта, вмещающего
котлована, на НДС конструкций ограждения котлована при изменении
температуры распорок;
- разработка методики определения дополнительных усилий в распорной
системе конструкции ограждения котлована с учетом податливости массива
грунта за ограждающей стеной при повышении температуры распорок.
Научная новизна работы
Научную новизну диссертационной работы составляют:
- определение факторов, влияющих на формирование НДС системы «массив
грунта - ограждающая конструкция - распорная крепь» в условиях изменения
температуры последней;
- прогнозирование усилий в конструкциях ограждения котлована и осадок
поверхности окружающего массива грунта;
- определение влияния податливости массива грунта за ограждающей стеной
на усилия в конструкциях ограждения котлована при температурных
деформациях распорной системы;
- расчетно-теоретические исследования влияния температурных деформаций
распорной системы на усилия в конструкциях ограждения котлованов;
- комплексные экспериментальные крупномасштабные исследования влияния
температурных деформаций распорной системы на усилия в конструкциях
ограждения котлованов и осадки поверхности массива грунта.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость работы заключается в оценке влияния сезонного
изменения температур на НДС системы «массив грунта - ограждающая
конструкция котлована», в том числе в:
- определении основных факторов, влияющих на усилия в конструкциях
ограждения котлованов при температурных деформациях распорок;
- в подтверждении, что дополнительные «температурные» усилия в
распорках, определенные с учетом податливости ограждающих стен,
существенно меньше усилий, определенных по схеме с неподвижными опорами;
- определении зависимости податливости ограждающих стен от вида грунта и
конструкции ограждающих стен.
Практическая значимость работы состоит в разработке аналитической
методики определения дополнительных усилий в распорной системе
ограждения котлованов при повышении температуры, позволяющей сократить
время и
трудозатраты при проектировании ограждающих
конструкций котлована и оптимизировать материалоемкость.
Методология и методы исследований
Работа выполнена на основе расчетно-теоретических, экспериментальных
лабораторных и натурных исследований. Расчетно-теоретические
исследования влияния деформаций массива грунта, вмещающего котлован, на
НДС конструкций ограждения котлована при изменении температуры проведены
путем численного моделирования температурных деформаций распорной
системы. Экспериментальные исследования выполнены на крупномасштабной
физической модели ограждающей конструкции котлована и на натурном
котловане с использованием как традиционных способов и средств
измерений, так и с помощью современной системы автоматизированного
мониторинга напряжений в конструкциях. При обработке экспериментальных
данных применены традиционные статистические методы обработки информации
с использованием цифровых таблиц.
Положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся результаты исследования влияния температурных
деформаций распорок на НДС системы «массив грунта - конструкция
ограждения котлована», включающие:
- оценку факторов, влияющих на формирование НДС системы «массив грунта -
ограждающая конструкция - распорная крепь» в условиях изменения
температуры последней;
- результаты расчетно-теоретических исследований влияния изменения
температуры распорок на усилия в конструкциях ограждения котлованов;
- методику определения дополнительных усилий в распорной системе
конструкции ограждения котлована с учетом податливости массива грунта за
ограждающей стеной при повышении температуры распорок;
- результаты экспериментальных лабораторных исследований температурных
деформаций распорок на усилия в конструкциях ограждения котлованов, в
том
числе с учетом типа ограждающих стен, а также
влияние на дополнительные осадки окружающего котлован массива грунта.
Степень достоверности результатов исследования
Достоверность результатов исследований обеспечена:
- учетом при выполнении численных расчетов положений действующих
нормативных документов;
- использованием численных методов расчетов в сертифицированных
геотехнических программных комплексах;
- применением в экспериментальных исследованиях сертифицированного
измерительного оборудования, прошедшего метрологическую аттестацию в
соответствии с ГОСТ 8.543-86 ГСИ;
- приемлемой сходимостью результатов расчетно-теоретических исследований
и разработанной методики с данными проведенных экспериментальных
исследований, а также с данными ранее выполненных натурных и
теоретических исследований отечественных и зарубежных авторов.
Личный вклад автора
Личный вклад состоит в участии соискателя на всех этапах исследования: в
разработке методики и выполнении численного моделирования и расчетного
анализа влияния изменения температуры распорок на НДС ограждающих
конструкций котлованов; в проведении натурных исследований влияния
изменения температуры воздуха на усилия в распорной системе ограждения
котлована; в планировании, подготовке и реализации многофакторных
лабораторных исследований влияния температурных деформаций распорок на
усилия в конструкциях ограждения котлованов; в обработке и интерпретации
экспериментальных данных; анализе и обобщении полученных результатов; в
подготовке и написании основных публикаций по выполненной работе.
Апробация работы
Основные положения проведенных исследований докладывались на следующих
конференциях:
- I Российская учебно-практическая молодежная конференция по геотехнике.
МГСУ (Москва, 2015);
- Всероссийская научно-практическая конференция «Геотехника: теория и
практика» . СПбГАСУ (Санкт-Петербург, 2017).
Результаты работы внедрены
Результаты работы использованы:
- при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ
по определению правил проведения инженерных изысканий, определению
нормируемых параметров и разработке методик расчета оснований,
фундаментов и параметров усиления грунтов (по заказу Федерального
автономного учреждения «Федеральный центр нормирования, стандартизации и
технической оценки соответствия в строительстве»);
- при разработке проекта изм. 2 СП22.13330.2011 «СНиП 2.02.01-83*
Основания зданий и сооружений»;
- при проектировании ограждающей конструкции котлована и выполнении
геотехнического прогноза оценки влияния нового строительства на объекте:
«МЕГА Теплый стан. Расширение», расположенного по адресу: г. Москва,
Новомосковский АО, п. Сосенское, Калужское шоссе, 21 км.
Публикации
По теме диссертации автором опубликовано 2 научные работы в научных
журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных изданий,
рекомендуемых ВАК РФ. Общее число печ. листов: 1,62; в т.ч. авт. печ.
листов. 1,62.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы.
Общий объем диссертации составляет 130 страниц, из них основного текста
120 страниц, 64 рисунка, 29 таблиц, список литературы из 77
наименований, в том числе 14 на иностранном языке.
Содержание диссертации соответствует пунктам 1, 2, 10 паспорта
специальности 05.23.02 «Основания и фундаменты, подземные сооружения».
Автор пользуется случаем выразить искреннюю признательность и
благодарность научному руководителю, к.т.н. Буданову Вячеславу
Григорьевичу и заведующему лабораторией усиления конструкций фундаментов
НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, к. т. н. Скачко Александру Николаевичу за
всестороннюю помощь, оказанную при выполнении данной работы, а также
научным сотрудникам отделения 28 НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, к.т.н.
Тупикову Максиму Михайловичу и Макееву Виктору Александровичу за
консультативное участие и помощь в проведении экспериментальных работ.
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Общие сведения о температурных воздействиях на конструкции
ограждения котлованов
Одним из самых распространенных способов для сооружения подземных частей
зданий, а также других заглубленных сооружений в городских условиях
является открытый способ, предусматривающий разработку котлованов.
Строительство котлованов может производиться как под защитой
естественного откоса грунта, так и с креплениями бортов котлована
ограждающими конструкциями.
Основными типами ограждений котлованов, используемых в настоящее время
являются:
- ограждение из прокатного профиля;
- сплошные из шпунта или "стены в грунте" траншейного типа или
буросекущихся, бурокасательных и jet свай;
- дискретные из прокатанных профилей (труб, балок и т.д.).
Выбор типа ограждения зависит от грунтовых условий, уровня подземных
вод, требований к деформациям окружающей застройки. В отдельных случаях,
при относительно небольшой глубине котлована (до 5 м), ограждения
устраиваются консольно. В этом случае устойчивость ограждения
обеспечивается только заделкой в грунт нижнего конца элемента
ограждения.
При устройстве более глубоких котлованов для обеспечения устойчивости и
ограничения перемещений обычно используют грунтовые анкера, сваи за
пределами призмы обрушения грунта, грунтовые бермы и подкосы, технологию
«top-down», распорные системы из металлических труб или проката.
Последнее - наиболее распространенный в настоящее время способ крепления
ограждений котлованов при строительстве открытым способом. В качестве
распорных элементов обычно используют металлопрокат. В глубоких
котлованах распорные системы устанавливаются в несколько ярусов. Отметки
установки
ярусов распорок выбираются из статического расчета
конструкции с учетом удобства их последующего демонтажа. Для этого
распорки располагают несколько выше постоянных перекрытий в подземной
части проектируемого сооружения. Так как распорки передают на ограждение
значительные сосредоточенные нагрузки, устройство металлических или
железобетонных распределительных поясов в уровне установки распорок
является обязательным. При необходимости устройства распорных элементов
более 20 м обычно выполняют временные промежуточные опоры-стойки,
снижающие свободную длину распорок.
Современное строительство имеет тенденцию к увеличению глубины подземных
сооружений. Значительная часть котлованов имеет глубину 15м и больше. В
совокупности с увеличением размера котлована в плане это ведет к
усложнению конструкций крепления котлована. Температурные воздействия в
данных условиях становятся существенным фактором, влияющим на их
проектирование.
Изменение температуры воздуха во времени случайны, но при этом возможно
выделить годовые периоды колебания, а так же колебания с суточными
периодами. Применимо к расчетам строительных конструкций изменения
температуры во времени могут быть представлены как совокупность
периодических сезонных колебаний температур с годовым периодом
лето-зима, суточных колебаний с периодом день-ночь и непериодических
колебаний температур в интервалах времени в несколько суток [17].
Согласно СП 131.13330.2012 [49] в Москве и Санкт-Петербурге в холодный
период года температура воздуха наиболее холодных суток может составлять
-35°С и -32°С, в теплый период года температура наиболее теплых суток -
+23°С и +22°С. При этом абсолютная минимальная температура воздуха
достигает -43°С и -36°С, а абсолютная максимальная температура - + 38°С
и -37°С.
В теплое время года необходимо также учитывать воздействие солнечной
радиации на строительные конструкции. К примеру, в нормах проектирования
мостов СП 35.13330.2011 [50] рекомендовано учитывать влияние солнечной
радиации в виде дополнительного нагрева на 10°С
освещенной солнцем поверхности.
1.2 Учет температурных воздействий на
конструкции ограждения котлованов
Учитывая, что длительность работ в открытых котлованах может составлять
более года, при их проектировании необходимо предусмотреть воздействие
изменения напряженно-деформируемого состояния ограждающих и распорных
конструкций, обусловленное переменой температуры при смене времен года.
Смонтированные в холодные периоды года распорки в теплые периоды
удлиняются и, как следствие, в них увеличиваются внутренние усилия,
возникающие из-за сопротивления окружающего котлован массива грунта. В
системах, смонтированных в летний период, наоборот, в осенне-зимний
период распорки укорачиваются, что приводит к дополнительным
горизонтальным перемещениям ограждения котлована и осадкам прилегающей к
котловану территории и находящихся на ней зданий, сооружений,
коммуникаций.
Для конструкций, незащищенных от суточных и сезонных изменений
температуры, СП20.13330.2011 [52] предусмотрено учитывать изменение во
времени средней температуры и перепад температуры по сечению элемента.
Требование учитывать температурно-климатические воздействия при
проектировании основания подземных частей сооружений и при
геотехническом прогнозе, также приведены в СП22.13330.2011 [53].
В нормативных документах по проектированию железобетонных
СП63.13330.2011 [55] и стальных конструкций СП16.13330.2011 [51]
приведены требования к размерам частей сооружений, разделенных
деформационными швами, при которых допускается не выполнять расчеты на
температурные воздействия. Допустимый размер температурных блоков
зависит от конструктивных решений сооружений: сборные, монолитные или
сборномонолитные и условий эксплуатации: отапливаемые, неотапливаемые
или на открытом воздухе. Данные требования не могут быть применены к
системам
ограждающих конструкций котлована в связи с тем,
что данные системы включают в себя массив грунта, ограничивающий
податливость элементов ограждения.
Таким образом, существующие нормативные документы, регламентирующие
проектирование подземных сооружений, к которым безусловно относятся
конструкции ограждения котлованов, не устанавливают конкретных
требований о необходимости расчета на температурно-климатические
воздействия для котлованов различной конструкции и геометрических
размеров.